一种核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料及其制备方法。其技术方案是：将氧化磷和硼酸混合，得混合料I，边搅拌边先后加入蒸馏水和硝酸，再于蒸压釜内反应，取出洗涤，得磷酸硼粉体；将氧化镁、氧化钇、氧化钐、氧化铋和碳化硼混合，得混合料Ⅱ，将混合料Ⅱ与混合料Ⅰ混合，得混合料Ⅲ，再与磷酸硼粉体混合，得混合料Ⅳ；将混合料Ⅳ与去离子水混合后与碱金属磷酸盐混合，得混合料

【技术实现步骤摘要】
microwave dielectric properties ofBPO
4 ceramics with ultra
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low dielectric constant.)报道，该技术通过固态烧结(SSS)和放电等离子体烧结(SPS)制得石英岩状的磷酸硼陶瓷，该技术制备的磷酸硼多孔陶瓷目的是要提高体积密度，从而气孔率相应较低，对核用隔热材料来说，所制得的磷酸硼陶瓷的隔热性能较差，达不到核用隔热材料的要求。
[0008]有制备中子及伽马复合屏蔽材料的技术有：文献(Ylmaz S N,Akbay S K,Zdemir T.Ametal
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ceramic
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rubber composite for hybrid gamma and neutron radiation shielding.)公开了一种将硅橡胶(聚二甲基硅氧烷)基体与氧化铋和六方氮化硼功能填料结合制备的金属陶瓷橡胶复合材料，填料的加入虽使其表现出陶瓷的力学性能，但是橡胶基体材料本身抗老化性能较差，力学性能较差；同时由于热分析测试需要设置氮气气氛，才能确保保持良好性能，进一步限制了制备工艺条件，增加了制备工艺难度。如“一种磷酸硼陶瓷材料及其制备方法”[0009](CN113277844)专利技术，首先是采用高温固相反应制备磷酸硼粉体，反应温度较高，生成的氨气需要回收，工艺较复杂；且制备的产品晶型不稳定，易团聚；其次通过压制成型制得磷酸硼致密陶瓷作为中子屏蔽材料，难以达到中子和伽玛射线综合屏蔽效果；且其中添加的中子屏蔽剂氧化钆会产生二次伽马辐射，而伽马射线具有比x射线更强的穿透力，给人体会造成更大的危害。

技术实现思路

[0010]本专利技术旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、制备温度低和环境友好的核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料的制备方法，用该方法制备的核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料中子和伽马射线的综合屏蔽性能优良、力学性能和保温隔热性能好。
[0011]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案的具体步骤是：
[0012]步骤一、按氧化磷∶硼酸的摩尔比1∶1，将所述氧化磷和所述硼酸混合，得混合料I；按所述混合料I∶蒸馏水∶硝酸的质量比为100∶70～80∶1～2，在搅拌条件下先向所述混合料I中加入蒸馏水，再加入硝酸，继续搅拌3～5min；然后放入蒸压釜内，在160～180℃条件下反应48～72h，自然冷却至室温，将取出的反应物过滤，洗涤，在60～80℃下干燥，得到磷酸硼粉体。
[0013]所述硼酸的HBO3含量大于95wt％，粒径小于2μm。
[0014]所述氧化磷的P2O5含量大于95wt％，粒径小于100μm。
[0015]步骤二、将30～40wt％的氧化镁、18～24wt％的氧化钇、14～23wt％氧化钐、16～22wt％的氧化铋和3～9wt％的碳化硼混合，得到混合料Ⅱ。
[0016]步骤三、按所述混合料Ⅱ∶所述混合料I的质量比为100∶30～40，将所述混合料Ⅱ和所述混合料I混合，得到混合料Ⅲ。
[0017]步骤四、按所述磷酸硼粉体∶所述混合料Ⅲ的质量比为1000～2000∶100，将所述磷酸硼粉体和所述混合料Ⅲ混合，得到混合料Ⅳ。
[0018]步骤五、按所述混合料Ⅳ∶去离子水的质量比为1.2～1.9∶1，将所述混合料Ⅳ和去离子水混合，得到混合料浆；再按所述混合料浆∶碱金属磷酸盐的质量比为100∶0.1～0.3，将所述混合料浆与所述碱金属磷酸盐混合，得到混合料
Ⅴ
；然后将所述混合料
Ⅴ
球磨2～4h，得到磷酸硼浆料。
[0019]步骤六、按所述磷酸硼浆料∶非离子型发泡剂∶明胶溶液的质量比为100∶0.5～2∶0.1～0.15，先将所述非离子型发泡剂加入所述磷酸硼浆料，搅拌3～5min，得到发泡浆料；再将所述明胶溶液加入所述发泡浆料中，搅拌2～3min，倒入模具中，在常温条件下静置20～28h，再于50～80℃条件下干燥18～24h，脱模，得到磷酸硼多孔陶瓷坯体。
[0020]步骤七、在空气气氛和常压条件下，将所述磷酸硼多孔陶瓷坯体加热至950～1100℃，保温1～5h，制得核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料。
[0021]本技术方案中：
[0022]所述氧化镁的MgO含量大于99.9wt％，粒径小于5μm；
[0023]所述氧化钇的Y2O3的含量大于99.9wt％，粒径小于5μm；
[0024]所述氧化钐的Sm2O3的含量大于99.9wt％，粒径小于5μm；
[0025]所述氧化铋的Bi2O3的含量大于99.9wt％，粒径小于5μm；
[0026]所述碳化硼的B4C的含量大于99.9wt％，粒径小于5μm；
[0027]所述非离子型发泡剂为醇类、醚醇、醚类和酯类中的一种；
[0028]所述搅拌的转速为800～1000转/分钟；
[0029]所述明胶溶液的浓度为15～30wt％。
[0030]由于采用上述技术方案，本专利技术与现有技术相比具有以下积极效果：
[0031]1、本专利技术以氧化磷和硼酸为主要原料，通过水热法制得磷酸硼粉体，所采用的原料对人体安全性高和环境友好，成本相对低；本专利技术不同于以硼酸和磷酸铵盐为原料的高温固相反应法，不会产生氨气，无需过高的高温固相反应温度，无需回收气体，不会污染环境，因此，本专利技术工艺简单、制备温度低和环境友好。
[0032]2、本专利技术添加中子屏蔽剂氧化铋、氧化钇、氧化钐、碳化硼，这些中子屏蔽剂中的稀土元素中子吸收截面比常用硼更高，都具有高的热中子吸收截面；同时，这些稀土元素都属于高质子数元素，所以对伽玛也具有很好的衰减能力。因此，本专利技术充分利用不同元素对中子和伽马综合协同屏蔽作用，可以获得性能优异的中子伽玛混合屏蔽材料。且碳化硼可以解决使用氧化钇、氧化钐、氧化铋时的二次伽马辐射的缺点，也能提高中子屏蔽效果，并能使二次伽马的产生最小化，故能显著提高核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料中子和伽马射线的综合屏蔽性能。
[0033]3、本专利技术通过发泡法制得的磷酸硼多孔陶瓷气孔率达到78.3％以上，制得的磷酸硼多孔陶瓷中气孔分布均匀。气孔越多，气孔内气体对流和孔壁之间的辐射传热就会越小，导致磷酸硼多孔陶瓷的导热系数系数降低，隔热性能提高，从而提高了核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料的保温隔热性能。
[0034]4、本专利技术采用氧化镁作为烧结助剂，引入的MgO由于能降低磷酸硼多孔陶瓷的烧结活化能，能使磷酸硼多孔陶瓷在更低的温度下开始烧结，制备温度低，节省能源；同时制备的核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料中由于还含有富余的B2O3，引入的MgO能和富余的B2O3反应生成磷酸镁及硼酸镁晶须，在提高核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料密度的基础上，显著提高了核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料的力学性能。另外，本专利技术在磷酸硼陶瓷粉体中加入了氧化磷与硼酸的混合物，烧结的过程中在基体内形核、自发长大，原位生成磷酸硼，起到结合剂的作用，亦能显著提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核用隔热屏蔽磷酸硼多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：步骤一、按氧化磷∶硼酸的摩尔比1∶1，将所述氧化磷和所述硼酸混合，得混合料I；按所述混合料I∶蒸馏水∶硝酸的质量比为100∶70～80∶1～2，在搅拌条件下先向所述混合料I中加入蒸馏水，再加入硝酸，继续搅拌3～5min；然后放入蒸压釜内，在160～180℃条件下反应48～72h，自然冷却至室温，将取出的反应物过滤，洗涤，在60～80℃下干燥，得到磷酸硼粉体；所述硼酸的HBO3含量大于95wt％，粒径小于2μm；所述氧化磷的P2O5含量大于95wt％，粒径小于100μm；步骤二、将30～40wt％的氧化镁、18～24wt％的氧化钇、14～23wt％氧化钐、16～22wt％的氧化铋和3～9wt％的碳化硼混合，得到混合料Ⅱ；步骤三、按所述混合料Ⅱ∶所述混合料I的质量比为100∶30～40，将所述混合料Ⅱ和所述混合料I混合，得到混合料Ⅲ；步骤四、按所述磷酸硼粉体∶所述混合料Ⅲ的质量比为1000～2000∶100，将所述磷酸硼粉体和所述混合料Ⅲ混合，得到混合料Ⅳ；步骤五、按所述混合料Ⅳ∶去离子水的质量比为1.2～1.9∶1，将所述混合料Ⅳ和去离子水混合，得到混合料浆；再按所述混合料浆∶碱金属磷酸盐的质量比为100∶0.1～0.3，将所述混合料浆与所述碱金属磷酸盐混合，得到混合料
Ⅴ
；然后将所述混合料
Ⅴ
球磨2～4h，得到磷酸硼浆料；步骤六、按所述磷酸硼浆料∶非离子型发泡剂∶明胶溶液的质量比为100∶0.5～2∶0.1～0.15，先将所述非离子型发泡剂加入所述磷酸硼浆料，搅拌3～5min，得到发泡浆料；再将所述明胶溶液加入所述发泡浆料中，搅拌2～3min，倒入模具中，在常温条件下静置20～...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淑静，李宵宵，李远兵，李仕祺，陈攀，郭腾龙，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：